Estudio teórico de la oxidación de CO con O2 usando catalizadores de Au-Pd y Au-Pt

Theoretical study of the CO Oxidation with O2 using Au-Pd and Au-Pt catalysts

En el presente estudio se realizaron cálculos con base en la Teoría del Funcional de la Densidad Electrónica (DFT) con la aproximación B3PW91/LANL2DZ para optimizar los sistemas monometálicos y bimetálicos Au₉, Au₈Pd, Au₈Pt, AuPd₈, AuPt₈, Pd₉ y Pt₉. Los materiales fueron teóricamente evaluados como catalizadores para la oxidación de monóxido de carbono (CO) y se determinó el sistema más favorable para la adsorción de esta molécula. La sustitución de átomos de Pt y Pd por átomos de Au en los nonámeros generó un cambio en la estructura tridimensional del sistema. El análisis de reactividad global mostró que el clúster más reactivo es 𝑃𝑡₉, seguido por 𝐴𝑢𝑃𝑡₈. Los índices de Fukui identificaron los sitios más susceptibles para un ataque nucleofílico de ambos clústeres. La adsorción de CO generó una cascada de oxidación que liberó ~4,5 eV, indicando que la reacción es altamente exotérmica y exergónica. Los clústeres 𝐴𝑢𝑃𝑡₈ y 𝑃𝑡₉ mostraron los valores más bajos de energía de activación de la etapa determinante del mecanismo. En general, la sustitución de un átomo de platino (o paladio) por un átomo de oro no afecta la reactividad de los nonámeros y, por tanto, se infiere que el clúster 𝐴𝑢𝑃𝑡₈ podría ser un catalizador promisorio en la oxidación de CO.

INTRODUCCIÓN

La combustión incompleta de combustibles fósiles produce monóxido de carbono (CO), un gas incoloro, inoloro, muy venenoso y contaminante [1]. Puede derivarse tanto de actividades antropogénicas como de fuentes naturales. Las principales fuentes humanas son las emisiones realizadas por automóviles, estufas, fogones de gas, sistemas de calefacción, entre otros [1-3]. A nivel mundial, la intoxicación por CO es de 17,5 casos por cada 100.000 habitantes [4]. En Colombia se ha encontrado intoxicación por CO en alrededor de 20.000 a 25.000 casos anualmente [4, 5]. El límite permisible de exposición (PEL, por sus siglas en inglés) establecido por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos de Norteamérica (OSHA) para el CO es de 50 ppm, en promedio, durante un período de 8 h [6]. Otro gas con características similares al CO, que también se produce en la combustión de combustibles fósiles, es el dióxido de carbono (CO₂). Este es un gas incoloro e inodoro, cuyas concentraciones al aire libre varían entre 300 y 500 ppm [7-9]. El PEL actual de la OSHA para este gas es de 5.000 ppm en promedio, durante un período de 8 h. Una exposición prolongada a altas concentraciones puede generar varios problemas de salud e incluso la muerte [10]. Sin embargo, el uso de CO₂ como fuente alternativa en la producción de nuevas sustancias o materiales es un tópico de especial interés en la actualidad.